从引力波探测到包含引力波的多信使天文学

2015年9月14日,LIGO实现了人类的第一次引力波直接探测.该实验结果在2016年2月公布,并被命名为GW150914.随后引力波探测的进展非常迅速.到目前为止已确认双黑洞并合引力波探测结果 4例,分别包括GW150914,GW151226,GW170104和GW170814.已确认的双中子星并合引力波探测结果 1例,GW170817.另外还有疑似双黑洞并合引力波探测结果 1例LVT151012.受引力波探测的驱动,关于引力波的物理学和天文学研究在2016年以来发展也异常的迅速.本文将对引力波探测和引力波天文学相关的理论物理问题做简要的介绍和展望.特别是引力波天文学能够研究的理论物理问题、引力波数据处理所涉及的理论问题和引力波理论描述的问题,本文做了较为详细和深入的介绍,同时还讲述了著名科学家如爱因斯坦等在相关问题上的研究故事.     

第三个引力波事例GW170104

<正>5月31日,LIGO和Virgo科学合作组织举行了一次内部媒体发布会,正式宣布在高级LIGO探测器上探测到第三个引力波事例GW170104。与前两个事例一样,它也是由两个相互旋绕的黑洞合并时产生的。合并之前两个黑洞的质量分别为31.2和19.4个太阳质量,合并后形成了一个48.7太阳质量的黑洞。大约有2个太阳质量的能量以引力波的形式释放出来。该事例被分别位于汉福德和利文斯顿的两个高级LIGO探测器同时观测到,信号到达汉福德探测器的时间比到达利文斯顿探测器的时间早3毫秒。整个信号过程持续了短短的0.1秒,波源到探测器的距离为30亿光年。从去年11月30日开始,高级LIGO探测器在进一步改进和调节之后开始了第二次运行,预计今年8月份结束。美国LIGO的同事告知,到目前为止,     

引力波的预言、探测和发现

引力波是爱因斯坦在广义相对论的重要预言,引力波探测是当代物理学最重要的前沿领域之一。以引力波探测为基础的引力波天文学是一门新兴的交叉科学,是对传统电磁辐射天文学的巨大拓展与补充。文中讨论了引力波的预言和特性,给出了引力波探测的主要方法,详细分析了激光干涉仪引力波探侧器的工作原理和基本结构,介绍了引力波事例GW150914的主要参数和探测、数据处理。     

封面故事

<正>北京时间2017年10月16日晚,激光干涉引力波天文台(LIGO)科学合作组织和处女座引力波探测器(Virgo)合作组织联合召开发布会,宣布再次探测到时空的涟漪——引力波及其伴随的电磁信号,正式编号GW170817。这是人类首次直接探测到两颗中子星并合产生的引力波事件,发生在1.3亿光年外的编号为NGC 4993的星系中。此次引力波事件具有极为重要的意义,引力波及其电磁对应体的发现,有助于科学家结合不     

GW170817与标准汽笛宇宙学

GW170817实现了基于"标准汽笛"的首次哈勃常数H_0测量,开启了标准汽笛宇宙学的序幕。正在进行的双中子星并合引力波观测,有望在5年内测量H_0到约2%精度,提供解决H_0危机的独立而珍贵的数据。下一代的引力波实验,则将通过标准汽笛方法,精确测量宇宙膨胀速度和宇宙大尺度结构,限制暗能量状态方程,在宇宙学尺度上检验广义相对论。     

激光干涉引力波天文台探测到的引力波事件中的黑洞

2016年2月11日,激光干涉引力波天文台(LIGO)发布了震惊世界的科学新闻:爱因斯坦100年前预言的引力波终于被人类探测到了!而且这个引力波事件GW150914来自于两个恒星级质量黑洞的并合!众多大众和专业媒体都对此做了大量的报道和介绍,引起了大众的普遍关注,因此文章将从不同的角度简要回答有关产生这个引力波事件中的两个黑洞的几个问题:为什么爱因斯坦不相信黑洞存在?怎么知道这样的天体是黑洞?物质是如何掉到黑洞里面的?如何获得独立的证据证明这样的引力波事件的确来自于黑洞的并合?探测这样的引力波事件对于我们理解黑洞有什么进一步的作用?     

数值相对论与双中子星并合

双中子星并合过程的引力波信号GW170817已经成功被LIGO直接探测,并合过程中的电磁对应体:短伽马射线暴GRB170817A以及光学、红外、紫外波段的千新星AT2017gfo也被多个天文台一同探测到,这标志着多信使天文学时代的开始。而数值相对论,即用数值模拟的方法研究双星并合的过程,在引力波探测、理解引力波源性质等方面起到举足轻重的作用。除此之外,数值相对论模拟的结果,也是我们理解千新星观测现象的重要工具。文章将回顾数值相对论建立、发展的历史,并介绍其在引力波探测、理解观测现象中所扮演的重要角色。     

天文学家目击中子星相撞

<正>近十来年,天文学重大突破之一是成功地协同观测中子星相撞时产生的引力波和电磁波信号。这一发现始于2017年8月17日(故编号为GW170817):随着激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座干涉仪(Virgo)合作组对引力波的发现、定位以及费米伽马射线空间望远镜(Fermi)的快速认证,超过70多台地面和空间探测设备在X射线、可见光、红外、射电等波段捕获了该并     

双中子星的星族合成研究

双中子星是天体物理中重要的研究对象,对于许多研究领域都有重要作用。2017年LIGO/Virgo发现第一个双中子星并合事件GW170817,开启了用引力波探测发现双中子星的序幕。文章主要介绍了双中子星的双星演化通道,以及双中子星星族合成的一些性质。此外,还介绍了双星演化中的一些不确定性以及形成GW170817双中子星的双星演化通道。     

GW170817:爱因斯坦对了吗?

来自双中子星并合的引力波事件GW170817和伴随的电磁波段的观测,是天文学研究上的一个重要突破。它不仅带给人类史无前例的关于中子星、伽马暴、千新星的知识,也提供了一个检验强场引力的极端天体实验室。爱因斯坦的广义相对论在不同的方面得到了全新的检验,包括引力的速度、引力子的质量、时空的对称性、引力波的辐射和偏振等。这些检验在更高的精度与更广的视角上肯定了广义相对论的预言。     

时空的乐章——引力波百年漫谈(四)

<正>七、拯救大兵爱因斯坦我们迄今介绍的引力波研究都是近似研究,基本理论框架未超出爱因斯坦1918年的原始论文《论引力波》(具体参阅第四、五两节)。跟某些其他领域注重严格解不同,引力波由于只在天文体系,且往往是相当极端的天文体系中才有被探测到的希望,而那样的体系具有高度的复杂性,无法满足严格解所要求的苛刻条件,因此引力波的严格解在很长的时间里对物理学家来说是个冷门。不过例外总是有的。1936年,已落户普林斯顿     

双中子星的并合及其引力波和电磁信号

2017年,轰动世界的引力波事件GW170817被确认来自于双中子星的并合。这是人类历史上首次探测到这种极端、剧烈的天体物理事件。双中子星是两个致密天体——中子星组成的系统,由双恒星系统经历漫长演化后形成。文章将从双中子星并合前、并合过程中与并合后全面地描述这种剧烈的天文现象,走进一段神奇而迤逦的旅程。未来随着引力波观测设备的升级,有望再次看到来自宇宙深处的引力波以及伴随的丰富多彩的电磁信号。     

地基引力波探测激光干涉仪的真空残余气体噪声分析

引力波是时空弯曲产生的涟漪波动.引力波探测对促进人类认识自然和科学技术进步均具有深远意义.由于引力波信号非常微弱,地基引力波探测器需要超高真空环境来保证激光干涉仪的稳定运行.本文阐述了残余气体噪声对地基引力波探测装置灵敏度的影响,并从第三代地基引力波探测原型机和全尺寸装置的真空系统设计出发,通过理论分析和模拟,给出真空系统压强、环境温度、残余气体质量和种类、测试质量的曲率半径等因素对引力波探测灵敏度的影响.这为引力波探测原型机和全尺寸装置的真空系统设计和建设提供了重要的理论依据.     

用电磁方法探测高频引力波

 一、高频引力波不能使用传统方法进行探测根据广义相对论的预言,利用引力波的潮汐效应,可以对引力波进行探测。最早的引力波探测方法是共振质量法,其典型装置除韦伯棒(WeberBar)外,还有ALLEGRO(美国)、EXPLORER(意大利)等。它们的共同特点是将棒状或球状质量作为引力波的耦合天线,如果天线接收到了引力波信号,则天线上的不同部分之间将发生伸缩效应,利用声电转换(比如压电效应)可以将机械振动转换成电信号,测量电信号就可以确认是否探测到了引力波信号;这一类引力波探测装置对引力波共振的频率一般为102104Hz.     

激光干涉引力波探测器——人类的宇宙助听器

爱因斯坦预言引力波100周年之际,人类首次直接探测到引力波信号。文章简单介绍了这次的主角——高新激光干涉引力波天文台(advanced LIGO)的光学与激光部分技术。激光干涉引力波探测器,本质上是一个迈克尔孙干涉仪。原初的迈克尔孙干涉仪也曾在否定以太理论、促使相对论创立的过程中起关键作用。而基于爱因斯坦受激发射理论发展起来的激光技术也在引力波探测中立下汗马功劳。出于协同测量与定位以及扩展引力波探测频段等方面的考虑,除LIGO之外,还有多个地面和空间激光干涉引力波探测器在建或在研。可以预计,当前只是引力波探测技术与引力波天文学发展的开端。     

第三代激光干涉仪引力波探测器

<正>引力波是爱因斯坦在广义相对论的重要预言,引力波探测是当代物理学最重要的前沿领域之一。以引力波探测为基础的引力波天文学是一门新兴的交叉科学,是对传统电磁辐射天文学的巨大拓展与补充。引力波的发现是一项划时代的科学成就,它标志着困扰科学家百年来的物理学难题得以破解,引力波天文学完成了从寻找引力波到研究天文学的历史性转折。     

相对论通过LIGO的全面审查

正LIGO探测器记录的引力波信号跟广义相对论的预言毫无偏差。人类历经50多年的努力,在爱因斯坦广义相对论预言引力波约100年后的2015年9月14日,利用LIGO干涉仪终于首次直接测得引力波。观察到的事件被称为GW150914,源于两个黑洞相撞。它们并合前的质量分别为太阳质量的29倍和36倍;并合的残骸是一个     

激光干涉引力波天文台

<正>激光干涉引力波天文台(LIGO)由分别在华盛顿州的汉弗德(Hanford)和路易斯安纳州的利弗斯通(Livingston)的两台孪生引力波探测器组成,它们彼此相距3000千米。当两个探测器同时探测到信号,才有可能是引力波。该天文台建于1999年,2002年开始运行,2015年9月14日探测到信号。     

引力波天文学——一个观测宇宙的新窗口

 引力波是爱因斯坦"广义相对论"最重要的预言,引力波探测是当代物理学重要的前沿领域之一。以引力波探测为基础的引力波天文学是一门正在崛起的新兴交叉科学,由于引力辐射独特的物理机制和特性,使得引力波天文学研究的范围更广泛﹑更全面,物理分析更精确﹑更深刻。     

GW170817: The key to the door of multi-messenger astronomy including gravitational waves

正On September 14,2015,the Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory(LIGO)team achieved the first-ever direct detection of a gravitational wave(GW)event from a binary black hole(BH)merger(GW150914),indicating the opening of GW observational window[1].The success of LIGO is due to the tremendous developments in experimental technologies[2-6].As of October 2017,the LIGO(later joint by VIRGO)team had published 3 additional BHBH merger events(GW151226,GW170104,GW170814)